（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报.pdf

摘要 海洋平台作为典型的海洋工程结构物，由于恶劣的工作环境以及本 身的结构复杂性，如何对其进行整体结构强度分析，细致而又准确的反 映出结构的细节问题是摆在人们面前的厂个重大课题，而整体结构的三 维力学模型又是分析工作的成败关键。j 本论文以某自升式海洋平台为例，运用d n v s e s a m 软件系统，建立 了平台整体结构三维有限元的板梁模型，计算出不同工况下平台结构的 详细变形和应力结果，对平台的结构安全性进行了分析和评估 对许多大型工程结构而言，由于在服役期间受到各种不同变化的载 荷作用，使得结构内部产生了交变应力，从而造成结构的疲劳损伤。准 确分析结构疲劳，进行寿命预测成为人们关心的问题 本文首先通过谱分析的方法，运用以f o u r i e r 分析为手段的模拟方法 模拟疲劳应力历程，并采用雨流计数法以及两参数w e i b u l l 分布拟合，研 究了包含在应力历程中的造成疲劳损伤的应力循环的识别和应力范围 的分布拟合问题。接着本文根据c c s 和d n v 的规范方法，结合平台实 例预测了平台的使用寿命 本论文详细地阐述了进行海洋平台整体结构安全评估和寿命预测 的全过程及方法，较好地完成了本课题的要求，具有一定的创新意义和 参考价值。 关键词：安全评估，三维有限元分析，s e a s a m ，谱分析，雨流法 规怨疲劳寿命 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t ss p e c i a ls t r u c t u r a lc o m p l e x i t ya n d t o u g hw o r ke n v i r o n m e n t ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h ew h o l es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dt od e s c r i b et h e m e c h a n i c a ld e t a i l so ft h em a r i n ep l a t f o r mw h i c hi so n eo ft h et y p i c a lo c e a n e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s d u r i n g t h i sp r o c e d u r e ，t h ek e yc o u r s ei sh o wt ob u i l d a3 df e mm o d e lo ft h ew h o l es t r u c t u r e a sa n e x a m p l e a c a l c u l a t i o no fam a r i n es e l f - e l e v a t i o n p l a t f o m i s i n t r o d u c e dt ot h i st h e s i s w i t hd n v s e s a ms o f t w a r e ap l a n e g i r d e r3 d f e mm o d e lo ft h es t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d t h e na c c o r d i n gt os e v e r a ll o a d c a s e s ，t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nr e s u l t so ft h ew h o l es t r u c t u r ea r eo b t a i n e d t h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l r e s e a r c hi sm a d eo nt h ec o m m o nf a t i g u e p r o b l e m a tl a s t d u et ov a r i o u sl o a dc a s ei nw o r kp e r i o d ，m a n yh u g es t r u c t u r e sc r e a t e i n t e m a lc y c l i c a ls t r e s s ，w h i c hp r o d u c es t r u c t u r e s f a t i g u ed a m n i f i c a t i o n s o h o wt op r e c i s e l ya n a l y z es t r u c t u r ef a t i g u ea n df o r e c a s tl i f e s p a nb e c o m ea c o n c e m e d p r o b l e m f i r s t l y u s es p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d ；t h em e t h o do fs i m u l a t i o nb a s e do n f o u r i e rt r a n s f o r mi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i st os i m u l a t es t r e s sh i s t o r y i n a d d i t i o n ，t h ei d e n t i f i c a t i o no f t h es t r e s sc y c l e st h a tc a u s i n gf a t i g u ed a m a g ei s a l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r u s i n gt h es o c a l l e dr a i n f l o wc o u n t i n gm e t h o d ， a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s s r a n g e s i sf i t t e d u s i n gt h eb i p a r a m e t e r w e i b u l ld i s t r i b u t i o n t h ef o r e c a s to n em a r i n e p l a t f o r m sl i f t s p a na c c o r d i n g t h e r e g u l a t i o no fc c s a n dd n v i nt h i s t h e s i s ，t h e e n t i r e p r o c e d u r ea n dm e t h o do ft h ew h o l es t r u c t u r a l s t r e n g t ha n a l y s i sa n d l i f ef o r e c a s t i n go ft h em a r i n es e l f - e l e v a t i o np l a t f o r mi s d i s c u s s e di nd e t a i l s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h i st h e s i sh a sr e n o v a t i o ns e n s et o s o m ee x t e n t k e yw o r d s ：s a f ee v a l u a t i o np l a n e g i r d e r3 df e m m e t h o d ，s e s a m ， s p e c t r u ma n a l y s i s ，r a i n f l o wc o u n t i n gm e t h o d ，r e g u l a t i o n ，f a t i g u el i f e 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 第一章绪论 1 1 概论 全世界海洋的面积为3 6 1 亿平方公里，覆盖了地球表面的7 0 _ 8 ，广深的海洋 蕴藏着非常丰富的资源，为人类提供取之不尽的能源和财富。1 9 8 0 年世界海洋经济总 量为3 4 0 0 亿美元，1 9 9 0 年为6 7 0 0 亿美元。我国“八五”期间海洋经济总量年增长率 为2 5 ，1 9 9 4 年至1 9 9 7 年3 年增长了一倍，平均增长率约3 0 ，远远超过了同期国 民经济总体的增长速度。随着世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求不断递增，而 石油在现代社会中更是具有举足轻重的地位。由于陆地油气资源的日趋枯竭，人类把 目光移向浩瀚的海洋。海洋油气开发是一个迅速发展的新兴产业，至9 0 年代初，其 产值己占世界海洋经济的6 0 。1 9 9 6 年海上石油产量为1 0 亿吨，占世界石油总产量 的3 5 。我国海洋油气产业发展也很快。1 9 8 2 年成立中国海洋石油总公司时，全国 海上年产石油量为9 万吨，1 9 9 7 年则产1 6 2 9 万吨，1 6 年中约增长1 8 0 倍。随着海洋 油气开发产业日益蓬勃，各类海洋平台也应运而生。 海洋平台大体上可以分为移动式平台和固定式平台两大类。移动式平台包括坐底 式平台、自升式平台、半潜式平台和钻井船；固定式平台包括钢质导管架平台、混凝 土重力式平台、张力腿式平台和牵索塔式平台。早期的平台都是固定式平台。1 8 9 6 年， 美国人以栈桥连陆方式在加利福尼亚距海岸2 0 0 米处打出了第一口海上油井，它标志 着海上石油工业的平台工业的诞生。到了2 0 世纪初，第一台专门用于海上石油钻探 开采的平台建成。虽然此平台的工作水深只有7 米，但是这项技术进步却使海上石油 工业出现突飞猛进的发展。1 9 7 9 年全世界近海已有7 0 0 0 余座固定式海洋石油钻探生 产平台。第二次世界大战后，海洋石油钻探开采技术突飞猛进，可开发深度越来越大， 并能在各种复杂的海况情况下开采石油。5 0 年代以后，研制成功各种移动式钻井平台， 克服了固定式平台不能重复使用的缺点，并大大增加了工作水深。移动式海洋石油钻 井设备拥有自己的浮力结构，可以用拖船拖航。有的还拥有自己的动力设备，可以自 航。进入7 0 年代，海上石油平台的数量猛增，特别是半潜式平台。1 9 6 5 年还只有7 0 台，截至1 9 7 6 年浮动石油平台已超过3 5 0 台，遍布世界各个沿海地区域。 据研究表明，海上石油天然气资源主要存在于大陆架。由大陆架、大陆坡和大陆 隆三部分组成的大陆边缘占海洋总面积的2 5 。大陆架一般是指由陆地向外延伸到水 深2 0 0 米左右的海域；大陆坡由大陆架向外延伸到水深2 5 0 0 米处；大陆隆则由大陆 坡再向外延伸到4 5 0 0 米水深。根据石油天然气生成于沉积岩的正确假设，油气生成 取决于沉积层的厚度。大陆边缘的沉积层厚达数千米，它们的油气潜在资源比深海海 底大得多。据专家估计，大陆边缘含有的油气潜在资源占海底总的油气资源的9 9 ， 1 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 而深海海底沉积中只占1 。自升式平台的结构形式和特点最适于在中浅深度海域工 作，又由于自升式平台具有所需钢材少，造价低，在各种海况下都能平稳进行钻井工 作等优点，因而在海上石油开发中得到广泛应用。 图1 1 自升式平台数量随年份的变化 1 2 自升式平台结构 自升式平台产生于1 9 5 1 年，目前在世界范围内具有最为广泛的应用，数量不断 攀升，在移动式平台家族中占据主要地位( 见表1 1 ) 。自升式平台数量随年份的变化 的趋势见图1 1 。据r j g l o c a t o r 的调查报告表明，截至1 9 9 9 年底，太平洋及中东 地区的移动式钻井装置共1 6 5 座，其中自升式平台1 3 5 座，占总数的百分之八十以上。 1 9 9 9 年在建的3 0 座平台中，有1 0 座是自升式平台。 表1 11 9 8 6 年移动式钻井装置统计数据 钻井装置类型数量百分比( ) 自升式平台 4 4 55 7 9 半潜式平台 1 9 8 2 5 7 坐底式平台 3 95 1 钻井船与钻井驳 8 71 1 3 总计 7 6 91 0 0 2 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三部分组成。 平台主体的平面形状一般有三角形( 三桩腿) 、矩形( 四桩腿) 和五角形( 五桩 腿) 等，如图1 2 所示。 图1 2 平台主体的平面形状 平台主体通常是一个具有单底或双层底的单甲板箱形结构。其内部根据作业、布 置和强度要求设有纵舱壁和横舱壁，但在桩腿之间的连线上必须设置强力舱壁作为平 台主体的主桁材。 桩腿的作用主要是在平台主体升起后支撑平台的全部重量，并把载荷传至海底。 桩腿的结构形式分为壳体式和桁架式两类。壳体式桩腿由钢板焊接成封闭形的结构， 其横断面有圆形和方形两种，早期的自升式平台桩腿多为圆柱壳体。为配合升降装置， 桩腿上有的设有销孔，有的装有齿条。壳体式桩腿一般用于工作水深6 0 7 0 m 以下， 深水的白升式平台都采用桁架式桩腿。桁架式桩腿由弦杆、斜撑杆和水平撑杆组成， 在弦杆上装有齿条。为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端可设计成单独带桩 腿箱，亦称桩靴，早期的自升式平台也有设计成整体沉垫的形式。 升降装置装在平台主体和桩腿的交接处，升降机构能使桩腿和平台主体实现上下 相对运动，或把平台主体固定于桩腿的某一位置。升降装置常用的有电动液压式和电 动齿轮齿条式两类。电动液压升降装置常用于壳体式桩腿，它利用液压缸中活塞杆的 伸缩带动环梁上下运动，并利用锁销将环梁和桩腿锁紧而实现平台和桩腿的相互运 动。电动齿轮齿条升降装置常用于桁架式桩腿，它由电动机经过减速机构带动齿轮转 动，使齿轮与桩腿上的齿条啮合而完成平台主体与桩腿之间的相互运动，当电动机处 于制动状态时，则可把平台主体固定于桩腿的某一位置。 自升式平台的结构形式是各种各样的，可以根据平台主体的形状、桩腿的数目及 形式、升降装置的类型等进行区分。这里需要着重介绍的是根据平台钻井区域结构形 式的不同可分为槽口式自升式平台和悬臂梁式自升式平台。槽口式平台在主体的尾端 开有槽口，钻台及井架位于井口槽的上面，钻台上的钻杆向下通过井口槽到达海底。 1 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 悬臂梁式平台不在主体结构上开槽，但在甲板上设有两道相互平行的钢梁，钻台及井 架安覆在钢梁上，钢梁可在滑轨上移动并连同钻台及井架起伸向平台尾端舷外，成 为悬臂式结构。相比之下，悬臂式平台不仅可以钻勘探井，还可以钻生产井，也可进 行修井作业，而且井架活动范围大，每次插桩作业钻井数量多，因此比槽口式平台具 有更高的效率。不过，悬臂粱的载荷受强度的限制比较大。 1 3 本文的背景、研究目的和意义 本课题是受胜利油田委托，对胜利作业一号自升式钻井平台进行了结构强度分析 和安全评估。胜利作业一号平台原是由胜利油田买进的旧平台“巴黎海豚”号改装而 成的。原“巴黎海豚号”是一座钻井供应辅助悬臂式自升式钻井平台，最大工作水深 4 57 2 米。整个平台由三角形的船体和三根截面为等边三角形的桁架腿组成。平台的 升降由9 套l e t o u m e a u 电动齿轮齿条式升降装置完成。买进前，该平台在热带地区使 用。买进时，该平台没有保持任何一家船级社的船级，也未持有任何船旗国的有效法 定证书，也无完整的技术资料和图纸。买进后，在实船勘察和测量的基础上进行了改 装设计( 包括平台结构和修井设备) ，将平台改装成可在胜利油田沿岸5 1 5 米水深范 围海域从事修井作业的平台。于1 9 9 5 年完成改装投入使用。至今，该平台已使用了6 年多，己逐步接近改装设计寿命，为保证海上生产的安全，设法在保证安全的前提下， 延长该平台的使用寿命，必须先对该平台目前的性能和强度、平台总体性能等进行安 全评估。这个课题研究目的是校核该平台的结构总体强度在修井作业状态和风暴自存 状态下的应力和应变是否满足要求，以及通过疲劳分析来预测平台的使用寿命，最终 为胜利油田的决策提供科学依据。 海洋平台的造价十分昂贵，建造一座新平台需要几亿甚至十几亿人民币，耗资巨 大，而且建造周期又长。同时，由于我国经济基础较薄弱，自行开发先进平台的能力 不强，经常从国外弓1 进一些退役的旧平台加以改造，继续在第一线进行生产。对于这 样的旧平台，如何能够最大限度地利用其原有结构而又不会造成安全事故，需要人们 进行深入的探讨改造。本文通过计算，从一个新的角度定量地对胜利作业一号平台进 行了结构分析，给出提高剩余强度的可行性方案。这样就为胜利作业一号以及其他同 类平台的强度评估、结构检测维修与安全运营提供了详实信息和理论依据。 另外，长期在海洋上工作的石油平台结构由于受到波浪力的及运动产生的各种惯 性力的作用，结构内部产生不断变化的交变应力，并造成疲劳损伤。疲劳破坏也是海 洋工程结构的主要破坏形式之一。对于拥有诸多管节点的海洋平台来说，疲劳问题显 得尤为突出，因结构中疲劳裂纹的产生、扩展，最后导致平台破坏的事例屡有发生。 因此，对于大型海洋平台以及引进的旧平台，疲劳应力计算和疲劳寿命评估也成为设 4 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 计当中非常重要的一环。 1 4 海洋平台结构的相关研究与发展 海洋平台结构在服役期间要承受复杂的载荷，各种结构失效造成的平台事故损失 严重。为了使昂贵的平台能安全长期地运营，对海洋平台诸多方面的研究自平台出现 以来就不断地进行着。 对于平台所受载荷研究，主要集中在风、浪、流等环境载荷上，而波浪载荷更是 研究的重点。波浪载荷与波浪理论密切相关，常用的波浪理论有线性波理论、坦谷波 理论和椭圆余弦波理论，而在海洋工程界采用更多的则是s t o k e s 发展的有限波幅理论。 自从1 9 5 1 年m o r i s o n 和他的同事们在大量试验与理论研究基础上提出著名的m o r i s o n 公式计算平台桩腿波浪力以来，一直沿用至今。对于疲劳载荷的处理也形成了许多方 法，最为常用的为雨流计数法。过玉卿等用“三峰谷计数原则”代替了一般的“四峰 谷计数原则”，使雨流法在计算机上的实现更为简便。关于海洋平台波浪响应的研究 进行的也很多。d a r i ob o o t e 等分析了海洋平台结构在非线性时域内的响应，并利用 a n s y s 非线性有限元模型计算了平台整体结构的极限强度和剩余强度。聂武通过随 机模拟的方法产生随机波浪外载荷研究自升式平台的非线性随机波浪载荷响应， g j g r u n d l e h n e r 研究了处于升船状态的自升式平台，在典型恶劣深水海况下的动力响 应，结果显示动力响应的不确定性主要与波峰模型、m o r i s o n 公式和阻尼有关。 在平台结构的应力计算方面，有限元分析方法曰趋成熟。戴大农等采用三维等参 元和三维相对自由度壳元的组合模型和子结构技术对海洋平台管节点的应力进行了 有限元分析，欧进萍等利用整体推进法分析了导管节平台的极限承载能力。在整体结 构有限元分析中，由于构件众多，经常采用等效刚度法，将实际结构中的组合型材简 化成刚度等效的梁单元一一等效梁。 据统计，在金属机械结构的断裂事故中，有8 0 以上是由疲劳引起的。疲劳破 坏也是船舶与海洋工程结构主要的失效模式之一。对于船舶结构的疲劳问题，在二十 世纪六十年代就己引起造船界的关注，而人们对海洋平台结构的疲劳研究则要更早一 些。1 9 8 0 年a l e x a n d e rk e y l a n d 号半潜式平台在北海翻沉，造成一百余人葬身海底， 调查分析的结果表明，结构的疲劳是事故的主要原因之一。由于海洋平台结构疲劳破 坏的事故时有发生，并且造成巨大的损失，因而海洋工程结构的疲劳破坏日益引起重 视。目前世界各主要船级社的平台建造与入级规范都建立了各自的疲劳强度校核方 法与许用应力范围衡准。在船舶与海洋工程界中，关于结构的疲劳破坏进行了大量的 研究。t a ox u 对船舶与海洋工程结构的疲劳强度、疲劳载荷以及疲劳可靠性等方面的 新发展和存在的问题进行了较为全面的介绍。在对结构的疲劳损伤和寿命估算中，通 5 l 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 常采用m i n e r 线形累积损伤理论和s n 曲线来计算，并通过试验总结出一些规律。 近年来，断裂力学的方法在疲劳分析中的应用越来越广泛。丁克勤、柳春图等利用断 裂力学方法对海洋平台用钢的疲劳裂纹扩展进行了系统研究，在试验基础上总结出确 定裂纹扩展曲线的快速方法。张延宏、柳春图等通过断裂力学论理论分析方法，研究 了海洋平台t 型管节点的疲劳强度，并提出了对裂纹扩展数据进行统一处理的方法。 早期的疲劳分析都是在确定性的意义上进行的，认为计算的有关参量都有确定的 数值。但事实上海洋工程结构的疲劳是一个受大量不确定因素影响的复杂现象，而且 大多数影响因素从本质上讲是随机的。例如，由海浪无规则运动引起的波浪载荷是随 机的，由材料性能的分散性和材料性能测试过程中不确定性因素得到的结构疲劳强度 是随机的，另外在疲劳计算中由假设和简化造成的计算结果与结构真实内力之间的误 差也是随机的。后来虽然引入p s n 曲线方法，但它只是对确定性方法的局部改进。 随着认识的深入和科技的进步，可靠性理论在结构的疲劳分析中的应用飞速发展。朱 启宪从实用的观点叙述了有关海洋平台可靠性设计的主要问题和采用可靠性安全系 数法的主要步骤。j i nw e i l i a n g 分析了在环境载荷和桩基土壤力联合作用下的平台自 身可靠性。c g u e d e ss o a r e s 等对含有多裂纹结构的疲劳可靠性进行了研究，并分析了 裂纹初始扩展时间与初始裂纹长度对可靠度的影响。 虽然世界各国学者和工程界人士对海洋平台进行了大量的研究工作，但是在各方 面还有许多工作要做。以往由于计算手段的限制，对平台结构的整体有限元分析模型 很少，而且模型过于简化。在结构的疲劳分析中，大都集中在由波浪载荷引起的管节 点的疲劳。总之，科学是无止境的，随着新问题和新方法的出现，必将推动海洋工程 科学不断的向前发展。 1 5后服役期平台结构质量的评估问题 海洋平台的建造与船舶一样具有一定的周期性。进入二十世纪末、二十一世纪初， 将有一大批钻井平台已经进入或正在进入后服役期阶段，成为老龄化平台，有些平台 甚至已经超龄。据统计，世界上现存的5 0 0 0 多座导管架与自升式平台中，约有三分 之一已经使用1 5 年以上。出于各种原因，船主与采油公司都在继续使用这些平台， 以节约投资，增加经济效益。我国的海上油气开发自二十世纪六十年代以来也有3 0 多年的历史，许多固定式平台和移动式平台也都先后进入后服役期，而目前各钻井公 司尚无能力近期内购置新平台投入使用。老龄平台经历多年的使用，尽管经过了中期 维修，平台结构，尤其是主体结构上存在严重的变形和疲劳裂纹等损伤。国内还有一 定数量早期引进的槽口式自升式平台，已经不适应钻井需要，需改装为悬臂梁式平台， 以增加钻井数量。但如何重新评估确认使用期内平台的结构质量，借以决定维修乃至 6 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 改装方案，成为决策者面临的必须选择取舍的关键问题。 国外许多研究机构( 如s n a m e ，n o b l ed e n t o 等) 十分重视使用中的自升式平 台结构的评估，但未深入进行平台质量的再确认。o v et g u d m e s t a d 等从空气隙区域 之上的平台主船体板格所受波浪力的角度研究了波浪力对处于服役期的导管架平台 结构质量再确认的影响。r o b e r tb e a 等通过大量的统计资料，研究并得到了适用于墨 西哥湾的平台质量在确认准则。准则中主要考虑了飓风、地震等环境载荷在质量再确 认中的影响，并定量地给出了各载荷影响系数的取值范围。而我国在自升式平台结构 质量再确认这一领域的研究尚未见报道，不过目前平台的老龄化问题也已经引起些 专家的重视，并把结构质量评估与风险评估等作为今后研究的重点。由于此类平台结 构的损伤问题在实际运营中已经有所显现，尤其对类似胜利一号的改装平台，问题可 能更为突出，因而这方面的研究具有很强的针对性和重大的工程意义。 1 6 本文的主要内容 胜利作业一号平台原是由胜利油田买进的旧平台“巴黎海豚”号改装而成的。原 “巴黎海豚号”是一座钻井供应辅助悬臂式自升式钻井平台，最大工作水深4 5 7 2 米。整个平台由三角形的船体和三根截面为等边三角形的桁架腿组成。平台的升降由 9 套l e t o u r n e a u 电动齿轮齿条式升降装置完成。买进后，在实船勘察和测量的基础上 进行了改装设计( 包括平台结构和修井设备) ，将平台改装成可在胜利油田沿岸5 - 1 5 米水深范围海域从事修井作业的平台。目前胜利油田在使用了5 年之后需要知道该平 台就目前结构状况还能使用的年限，以决定是否予以追加投资。这个课题研究目的是 校核该平台的结构总体强度在修井作业状态和风暴自存状态下的应力和应变是否满 足要求，以及通过疲劳分析来预测平台的使用寿命，最终为胜利油田的决策提供科学 依据。 针对课题背景，本文的主要工作如下： 首先对平台结构进行空间结构的三维有限元分析，载荷工况为作业工况和风暴自 存工况，采用挪威船级社( d n v ) 编制的专门用于船舶及平台有限元结构分析的大型 软件d n v s e s a m 的有限元分析模块，外载荷( 波浪、流) 采用该软件的载荷计算 w a j a c 模块。 平台的疲劳分析首先运用谱分析的方法求疲劳应力的长期分布，对平台的疲劳寿 命进行了理论应用的探讨。接着采用两种规范的简化方案：一是采用中国船级社( c c s ) 海上移动平台入级与建造规范1 9 9 2 版所规定的方法和步骤进行疲劳分析和寿命 预测；二是采用挪威船级社( d n v ) 规范的方法和步骤进行疲劳分析和寿命预测。分 析和预测的结果以前者为主，后者作为参考。 7 塑堂! 茎茎兰鱼堕塑塞全塑堕墨查鱼堡塑一 本文的新意和创新之处在于： 1 尽量模拟真实结构进行自升式平台应力分布整体有限元仿真计算。 2 通过理论和规范的方法对平台桩腿管节点处的疲劳损伤和疲劳寿命进行里估 算。 3 在疲劳损伤计算中，充分考虑各种影响因素，建立波浪海流与节点交变载荷 的传递关系。 4 本文不但对胜利一号自升式平台的静强度和疲劳强度进行了研究和质量再确 认，也为其他槽1 3 式改悬臂梁式自升式平台的改装，维修与检测提供理论和数值依据。 8 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 第二章平台整体结构三维有限元强度分析 2 1 平台结构三维有限元分析原理概述 2 1 1 概述 传统的平台结构分析分为两部分，一是平台总强度分析，二是平台局部强度分 析。在九十年代以前都是通过传统的简化模式进行平台总强度计算的，但平台结构的 很多重要细节在如此粗略地简化下是不能够得到有效反映的，这使得局部分析变得非 常地近似和有限。而有限元技术经过三十多年的发展变得日趋成熟，同时借助于迅猛 发展的计算机技术的支持，使得形成了功能强大的软件工具，得以进行复杂结构的分 析研究。 三维有限元分析的特点就是把原来在简化模式中忽略的结构部分完整地用有限 元软件表现出来，这样做可以发现很多原来在简化模型中不能得到反映的细节问题。 如平台结构中的加筋板，在以前很多简化模式的处理中，一般将其等效为一正交异性 板，即将加强筋面积作用折算到单向材料模量e 中。虽然这样做可以简化繁琐的计算， 但同时也带来了计算精确度的问题。显然，在计算机强大计算能力的辅助下，把板和 纵骨分开建模，用板梁结构进行分析能得到更为准确的结果。 平台总体结构强度有限元分析，就是首先将整个平台结构离散为功能与原结构相 当的有限元模型，按照实际的结构情况划分节点和单元，然后把全部载荷等效为节点 载荷作用在节点上，而节点则由单元的刚度支持，进而计算节点的位移和应力，最后 算出单元应力而得到平台整体结构的应力状况和整体变形状况。 实现平台三维有限元分析需要完成以下系列工作： ( 1 ) 阅读图纸等平台基础资料。如：平台结构图纸，尺寸要素，平台总体分布图， 平台管架节点图，重量重心数据，操船手册、作业海区的环境资料等。 ( 2 ) 建立平台结构有限元模型。对于平台整体结构根据需要划分为若干个结构，按 结构的实际情况确定有限元网格的粗细和单元的类型，建立结构有限元模型；并将平 台结构的自身重量，设备及人员的质量离散到单元节点上，建立质量模型。 ( 3 ) 建立平台动力计算模型。 ( 4 ) 计算平台波浪载荷，风载荷，冰载荷和地震载荷等。根据给定的平台作业海区 环境资料，参照平台设计规范的有关章节，计算出各种工况的载荷。 9 海洋自升式平台结构安全评估段寿命预报 ( 5 ) 计算平台应力，应变分布。针对上面确定的每一种计算工况，逐一进行求解。 ( 6 ) 处理和分析计算的结果。将计算结果以图形曲线和表格的形式表达出来，并 对其作相应的分析，为后续的结构安全评估做好准备。 在上述工作中最基础的工作是建立平台整体有限元结构模型，使它能正确反映平 台主结构的刚度特点，一般力学模型由3 0 0 0 5 0 0 0 个节点及相应数量级的单元组成， 在这样规模的单元和节点上施加重力、风、浪、流载荷进行不同的工况组合。 在对胜利一号平台结构进行三维有限元强度分析时我们采用了挪威船级社( d n v ) 编制的专门用于船舶及平台有限元结构分析的大型软件d n v s e s a m 的有限元分析 模块进行分析计算。计算平台结构三维有限元模型在上述诸力作用下的变形与内力， 获得平台各构件的应力分布。 2 1 2 程序系统简介 我们采用的是挪威船级社d n v 编制的专门用于船舶及平台有限元结构分析的大型 软件d n v s e s a m ，使用该软件分析计算平台结构三维有限元模型在自身载荷和环 境载荷作用下的变形与内力，获得平台各构件的应力分布情况。 d n v s e s a m 是世界造船领域一致认可的大型结构有限元分析软件，可以解决船体 平台结构的强度刚度及结构优化等问题，通过有限元分析确保各个零部件及分析系统 在最合理的环境下正常地工作以获得最佳性能。d n v s e g a m 可用于多种计算机和操作 系统，包括从普通p c 机的w i n d o w s 操作系统到工作站上的u n i x 系统等。在不同的计 算机系统下，d n v s e s a m 都能够进行高效的工作，并提供在这种系统中的鉴定结果。 d n v s e s a m 是由大量被称为模块的部分组成。模块是子程序的集合，被设计用来 做特殊的任务。d n v s e s a m 中的模块主要有预处理模块p r e f e m ，p r e f r a m e ，p r e t u b e ， p r e s e l 和p r o b a n ；环境分析模块l a u n c h ，w a v e s h i p ，w a j a c 和w a d a m ：结构分析模块 s e s t r a ，u s f o s ，s p l i c e 和f e n r i s ：计算后处理模块p o s t r e s p ，m i m o s a ，p l a t e w o r k ， f r a m e w o r k ，p o s t f e m ，c u t r e s 和c o n c o d e 。 本课题所用到的d n v s e s a m 模块有： ( 1 ) p r e f e m ：p r e f e i 是s e s a m 程序中的通用预处理模块。其可建模型包括桁架， 粱，薄膜，壳，和实体元。像弹簧，挡板和大块元，夹层结构，接触元和轴对称元之 类更多的特殊元也能进行建模。在8 e s a m 系统中，模型不仅适用于水动力也适用于结 构分析。 ( 2 ) p r e f r a m e ：p r e f r a m e 是s e s a b t 框架建模的预处理模块，p r e f r a m e 所建立的模 1 0 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 型可用于梁桁架和缆绳模型的水动力分析和结构分析。它的目标是在建立一个足以 进行分析的模型的同时，使用户所需要输入的数据最小化并保证模型的质量。 ( 3 ) w a j a c ：w a j a c 适合于计算固定结构上的波浪载荷和流场载荷，与波长相比， 横截面相当小。这个的典型应用就是平台导管架结构等离岸结构。载荷是按照t o r i s o n 公式计算的，可以自动传递到后续的结构分析和数据后处理过程中。 ( 4 ) p r e s e l ：p r e s e l 是s e s a m 种组装超单元的预处理模块。一个超单元基本上是 完整结构中的一个有限元模型。s e s a m 中的预处理程序p r e f r a m e 和p r e f e m 用于建立 第一层的超单元，例如由梁和壳等组合起来的部分模型。p r e s e l 用与把它们拼接起来 组成超单元集合体 ( 5 ) s e s t r a ：s e s t r a 是有限元计算的核心模块。它从前处理模块中获得计算时需 要的数据，计算的结果形成数据库文件提供给后处理模块进行进一步分析和输出。 s e s t r a 可以计算静载荷和动载荷。 ( 6 ) p o s t f e m ：p o s t f e m 是有限元单元分通用图形互动分析中的一个后处理模块。 p o s t f e m 的任务是提供用户分析资料。所提供的系列模型可视化的技术和结果的显 示满足了不同模型的需要；p o s t f e m 附加的彩色显示效果显著地提高了用户对模型做 出迅速评价的能力。p o s t f e m 的数据库设计独特能单独供给分析程序，高度组织的数 据结构使之有良好的互动能力。因此p o s t f e m 提供了有限元分析人员以高度的灵活性 和强力的图形后处理分析程序。 多个模块集成在d n v s e s a m 下，既各自有着不同的功能，又相互间紧密联接融为 一体，形成新一代框架式前后处理集成系统。 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 2 2平台结构型式及环境条件 2 2 1 平台结构型式 胜利作业一号为自升式修井作业平台，主要工作于胜利油田沿岸5 1 5 米水深范 围的海域从事修井作业。整个平台由近似三角形的平台主体和三根截面为等边三角形 的桁架腿组成。平台主体由主甲板、平台底部、两道纵舱壁和横舱壁组成。平台底部 主要承受预压载、钻井水、泥浆污液、燃油等液舱的重量，主甲板首端有直升机平台、 机械设备和生活区，中部为管子堆场，尾部为悬臂梁装置，平台一侧有吊机。桩腿为 空间桁架结构，由竖向齿条、横向撑杆和斜撑组成，底部为到椎体的桩靴。 胜利一号平台主船体部分的平台底、主甲板均为纵骨架式结构，有较强底宽翼钢 强横梁和小纵骨构成空间板梁组合结构。平台共分1 3 个肋位，其中在# 5 和# 1 1 肋 位处设有横舱壁，它们与首封板、尾封板、平台底板、主甲板组成横向主桁；而滑轨 下纵舱壁与平台底板、主甲板组成纵向主桁。 平台的升降由9 套l e t o u r n e a u 电动齿轮齿条式升降装置完成。配有8 0 吨海洋修 井机及配套设施，适用于3 0 0 0 米深度以内的直斜井单井作业以及其他井下作业。 胜利一号平台的整体结构侧视图和主甲板俯视图见图2 1 和图2 2 1 2 塑兰生眨壁! ! ：鱼墅塑塞全堡! i 墨查鱼堕堡 1 3 l 瓣 圃一熏型i啦带玲室裔困 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 图2 2 主甲板俯视图 1 4 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 2 2 2 平台主尺度 平台主要尺度参数如下： 总长4 2 0 6 米 型长4 0 6 8 米 总宽3 5 2 0 米 型宽3 0 4 8 米 型深4 0 4 米 空船重量1 8 6 2 0 6 吨 空船平均吃水( 距平台基线) 2 5 3 米 拖航排水量2 0 6 9 0 吨 平均吃水( 距平台基线)2 7 4 米 桩腿数目( 前一后二) 3 根 桩腿结构形式分节桁架式 桩腿总长5 0 o 米 后桩腿中- t l , 横向间距2 1 6 4 米 前后桩腿中心纵向间距3 0 4 8 米 平台坐标系为：( 在本平台中，如无另外说明，均采用以下坐标系) 坐标原点取在平台尾剖面的平台基线和平台中心线的交点处； x 轴为首尾方向，向首为正； y 轴为左右方向，向左舷为正； z 轴为上下方向，向上为正。 2 2 3 平台结构材料性能及许用应力 平台结构材料用钢的屈服限见表2 1 表2 1 平台主体及桩腿材料的屈服强度 f 部位屈服极限( k g f r f l 2 ) 桩腿齿条、钢管 5 9 8 e + 0 7 船体型材 4 9 2 e + 0 7 船体板材 2 3 5 e + 0 7 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 在c c s 自升式平台建造与入级规范中，对不同载荷和应力状况下的材料许用应 力进行了规定，胜利一号的材料许用应力情况如下表所示。 表2 2 胜利一号平台许用应力 载荷类型单向应力类型许用应力公式许用应力大小( k g f ) 材料数值 1 静载荷轴向或弯曲应 p 】= 0 6 0 ， 桩腿齿条、钢管 3 5 9 e + 0 7 力船体型材2 9 5 e + 0 7 船体板材1 4 l e + 0 7 剪应力 【f 】_ 0 4 0 ， 桩腿齿条、钢管 23 9 e + 0 7 船体型材1 9 7 e + 0 7 船体板材0 9 4 e + 0 7 静载荷+ 环轴向或弯曲应 b = 0 8 0 ， 桩腿齿条、钢管 4 7 8 e + 0 7 境载荷力船体型材 3 9 4 e + 0 7 船体板材 1 8 8 e + 0 7 剪应力 【f 】= 0 5 3 0 - 。 桩腿齿条、钢管 3 1 7 e + 0 7 船体型材 2 6 l e + 0 7 船体板材 1 2 5 e + 0 7 1 6 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 22 4 环境条件 由于本次计算是对修理改造后的“胜利作业一号”平台结构总体强度进行计算 分析，所使用的图纸资料和环境条件都由业主( 胜利石油管理局井下作业公司) 提供， 有关具体参数如下： 1 作业水深5 1 5 m 2 波浪 正常作业状态 风暴自存状态 3 风速 正常作业状态 风暴自存状态 拖航状态 拖航完整状态 拖航破损稳性 平台升降状态 4 海流速度 流速 j 潮差 天文期 风暴潮涨水 6 大气温度 最高 最低： 4 0 0 c 一1 8 0 c 最大波高h m a x = 5 o m ，周期t = l o s 最大波高h m a x = 6 6 m ，周期t = l o s 3 1 m s ( 按3 6 m s 核算) 4 5 m s 8 级 3 1 m s ( 按3 6 m s 核算) 2 8 5 m s 5 级 2 8 2 m 2 1 5 m 7 地震烈度v i i i 级 1 7 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 2 3 平台三维有限元结构强度计算 2 3 1 结构有限元模型 根据胜利石油管理局井下作业公司提供的胜利一号平台原始升级图纸和改装图 纸，利用结构有限元软件d n v s e s a m 的前处理模块p r e f e m 和f r e f r a m e 的前处理功能， 将平台模拟为空间板、梁组合结构。本平台结构主要包括3 条桩腿和平台主体部分组 成，该平台上甲板、舷侧、平台底均为纵骨架式结构，平台的计算模型由一近似三角 形的平台体和三根横截面为等边三角形的桁架桩腿组成平台体计算模型简化为空间 板梁组合结构。上层建筑部分结构简化为重力载荷作用于主体结构上。本计算对所牵 涉到的平台各种板格，纵骨，横梁和扶强材等均按照真实的结构型式建模，保证了所 建力学模型能真实地反映平台的实际受力状况，但是对平台中的箱型梁做了一定的简 化。在平台中，桩腿与平台主体的联接是通过电动齿轮齿条及导向槽实现的。每根桩 腿三套升降装置，每套装置三个齿轮，所以整个平台与桩腿共有2 7 个齿轮与齿条联 接。建模中将齿轮与齿条的联接简化成只承受竖向载荷的联接，导向槽作用简化成对 水平方向位移的约束。在导管装置所在位置处增设虚拟杆单元( c r o d ) 来模拟导管架 与桩腿之间的相互作用。 2 3 2 结构分析的基本假定 1 ) 材料是线弹性的，单元节点力和节点位移之间保持线性关系。 2 )各单元或结构变形与整个结构尺寸相比很小，可应用叠加原理。 这两个基本假定都是符合工程结构基本情况的，因为一般工程中都是弹性形变 而少有范性的，同时考虑到结构的实际情况因而假定对本次计算是适用的。 2 3 3 结构的数学模型描述 一个实际的平台结构用等效的数学模型来表示，实际上是将真实的结构看作是若 干线性结构单元组成的理想化集合体。线性结构单元近于结构的杆件，视为用杆件轴 线表示梁单元。导管架结构的节点模拟成理想化的刚性节点，不仅传递轴力，而且也 传递弯矩和剪力，这种模拟提供了各单元之间的位移协调和应力连续条件。 对于有限元网格的划分应根据计算的目标和精度的要求来决定，过细会给建模和 计算工作带来困难：而过粗又会使计算结果不能表达细节处的变形和应力。节点是单 1 8 海洋自升式平台结构安全评估及寿命预报 元划分的依据，理想化结构的节点通常应设在杆件交叉点集中载荷作用点杆件剖 面性质变化突变点及桩与设计泥面的交界点。 2 3 4 基本方程式 采用有限元法分析导管架平台结构需要建立大量的方程，具体来说可以归纳为以 下三组： ( 1 ) 节点静力平衡方程 作用于每个节点的外力与节点的位移引起的杆端内力相平衡，即 尸= f 式中 p 作用于节点上的力； f ，节点位移引起的交于节点的各杆端内力之和。 ( 2